JP2022067623A - Photoelectric conversion element, control method of photoelectric conversion element, and information processing device. - Google Patents
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Abstract
【課題】 フォトンカウント型センサを用いてアドレスイベント信号を検出する光電変換素子を提供する。
【解決手段】 上記課題を解決する本発明にかかる光電変換素子は、光子の入射に応じて信号を出力する変換手段を備えた画素であって、前記画素から出力された前記信号を計測する第1の計測手段と、前記第1の計測手段によって計測された前記信号が第1の閾値を満たすまでに要した時間を計測する第2の計測手段と、過去の前記第2の計測手段の計測結果を第1の時間として記憶する第1の記憶手段と、前記第1の記憶手段によって記憶された前記第1の時間と、前記第2の計測手段によって計測された第2の時間と、を比較する比較手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図5
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element for detecting an address event signal by using a photon count type sensor.
A photoelectric conversion element according to the present invention that solves the above problems is a pixel provided with a conversion means that outputs a signal in response to an incident of a photon, and measures the signal output from the pixel. 1 measuring means, a second measuring means for measuring the time required for the signal measured by the first measuring means to satisfy the first threshold value, and past measurement of the second measuring means. The first storage means for storing the result as the first time, the first time stored by the first storage means, and the second time measured by the second measuring means. It is characterized by having a comparison means for comparison.
[Selection diagram] Fig. 5
Description
本発明は、光電変換素子に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion element.
アバランシェフォトダイオード(以下、APD)に到来する光子の数をデジタル的に計数し、その計数値を光電変換されたデジタル信号として画素から出力する光電変換素子(以下、フォトンカウント型センサ)が知られている(特許文献1参照)。 A photoelectric conversion element (hereinafter, photon count type sensor) is known, which digitally counts the number of photons arriving at an avalanche photodiode (hereinafter, APD) and outputs the counted value as a photoelectrically converted digital signal from a pixel. (See Patent Document 1).
本発明が解決しようとする課題は、フォトンカウント型センサを用いてアドレスイベント信号を検出することである。 An object to be solved by the present invention is to detect an address event signal using a photon count type sensor.
上記課題を解決する本発明にかかる光電変換素子は、光子の入射に応じて信号を出力する変換手段を備えた画素であって、前記画素から出力された前記信号を計測する第1の計測手段と、前記第1の計測手段によって計測された前記信号が第1の閾値を満たすまでに要した時間を計測する第2の計測手段と、過去の前記第2の計測手段の計測結果を第1の時間として記憶する第1の記憶手段と、前記第1の記憶手段によって記憶された前記第1の時間と、前記第2の計測手段によって計測された第2の時間と、を比較する比較手段と、を有することを特徴とする。 The photoelectric conversion element according to the present invention, which solves the above-mentioned problems, is a pixel provided with a conversion means for outputting a signal in response to an incident of photons, and is a first measuring means for measuring the signal output from the pixel. A second measuring means for measuring the time required for the signal measured by the first measuring means to satisfy the first threshold value, and a first measurement result of the second measuring means in the past. A comparison means for comparing the first storage means stored as the time, the first time stored by the first storage means, and the second time measured by the second measuring means. And, characterized by having.
フォトンカウント型センサを用いてアドレスイベント信号を検出することができる。 The address event signal can be detected using a photon count type sensor.
以下、図を用いて、本発明の実施形態における光電変換素子について説明する。その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, the photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. At that time, those having the same function in all the figures are given the same number, and the explanation of the repetition is omitted.
<実施形態1>
<情報処理装置>
図1は、本実施形態に係る光電変換素子を備える情報処理装置1000の機能構成例である。情報処理装置1000は、受光レンズ10001、光電変換素子100、制御部1002、記憶部1003、画像処理部1004、表示部1005、解析処理部1006、取得部1007、を有する。情報処理装置1000は、具体的には撮像装置や計測装置である。受光レンズ1001は、入射光を受光し、光電変換素子100に結像する。光電変換素子100は、受光した入射光に応じた信号を出力する。詳細は後述する。制御部1002は、受光レンズ1001のフォーカスの駆動や絞りの駆動、光電変換素子100の駆動等の制御を行う。記憶部1003は、例えば、光電変換素子100によって出力された信号や、画像処理部1004によって処理された画像データを記憶する。また、情報処理装置に係る各種設定を記憶する。光電変換素子100によって出力された信号に基づいて画像データを処理する。画像処理部1004は、画像の各画素に信号や計測された時間に応じた画素値を決定し、画像データを生成する。なお、光電変換素子100からのアドレスイベント信号を、画像処理部1004によって画像データに変換して使用する情報処理装置の例を示したが、情報処理装置1000は必ずしも画像データを生成しなくてもよい。表示部1005は、画像処理部1004によって生成された画像や各種情報を表示する。なお、記憶部1003や表示部1005といった機能は情報処理装置の外部にあってもよい。また、図示しない他の機能構成の例として、ユーザが撮像等の各種指示を入力するための操作部や、画像表示以外の出力として例えば動画の音声を出力する音声出力部等があってもよい。解析処理部1006は、光電変換素子によって出力されたアドレスイベント信号に基づいて所定の解析処理を実行する。具体的には、被写体検知や、動体検知等である。詳細な処理は後述する。取得部1007は、光電変換素子100からのアドレスイベント信号を取得する。
<Embodiment 1>
<Information processing equipment>
FIG. 1 is an example of a functional configuration of an
図2は、本実施形態に係る光電変換素子の構成例を示す図である。光電変換素子100は、センサチップ11と、回路チップ21の2枚のチップが積層され、且つ電気的に接続されることにより構成される。センサチップ11は、画素領域12を含む。回路チップ21は、画素領域12で検出された信号を処理する画素回路領域22と、画素回路領域22から信号を読み出すための読出し回路領域23を含む。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a photoelectric conversion element according to the present embodiment. The
<画素基板>
図3は、センサチップ11の構成例を示す図である。センサチップ11の画素領域12は、二次元状に複数配置された画素101を含む。画素101は、アバランシェフォトダイオード(APD)を含む光電変換部102を備える。図3には、第0行から第5行までの6行と、第0列から第5列までの6列に配された36個の画素101を、行番号及び列番号を示す符号とともに示している。例えば、第1行、第4列に配された単位画素11には、「P14」の符号を付している。なお、画素領域12を成す画素アレイの行数及び列数は、特に限定されるものではない。
<Pixel board>
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the
<回路基板>
図4は、回路チップ21の構成例を示す図である。回路チップ21は、画素回路領域22と読出し回路領域23とを含む。画素回路領域22は、センサチップ11の各々の画素103に対応して、二次元状に複数配置された信号処理部103を含む。図4には、第0行から第5行までの6行と、第0列から第5列までの6列に配された36個の信号処理部103を、行番号及び列番号を示す符号とともに示している。例えば、第1行、第4列に配された信号処理部103には、「S14」の符号を付している。なお、画素回路領域22を成す信号処理部アレイの行数及び列数は、特に限定されるものではない。読出し回路領域23は、垂直調停回路110と、列回路112と、水平読み出し回路111と、信号出力回路117とを含む。
<Circuit board>
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the
<垂直調停回路>
画素回路領域22の信号処理部アレイの各行には、第1の方向(図4において横方向)に延在して、リクエスト信号出力線114VREQおよび、応答入力線115VACTが配されている。リクエスト信号出力線114VREQおよび、応答入力線115VACTは、第1の方向に並ぶ信号処理部103にそれぞれ接続され、信号線を成している。リクエスト信号出力線114VREQおよび、応答入力線115VACTの延在する第1の方向は、行方向或いは水平方向と表記することがある。なお、図4には、制御線VREQ、VACTを、行番号を示す符号とともに表している。例えば、第1行のリクエスト信号線には、「VREQ[1]」の符号を付している。
<Vertical arbiter circuit>
Each line of the signal processing unit array of the
各行の制御線VREQおよび、VACTは、垂直調停回路110に接続されている。垂直調停回路110は、信号処理部103を駆動するための制御信号を、リクエスト信号出力線114VREQおよび、応答入力線115VACTを介して信号処理部103に供給する。
The control lines VRQ and VACT of each line are connected to the vertical arbiter circuit 110. The vertical arbiter circuit 110 supplies a control signal for driving the
信号処理部103は、アドレスイベントデータの出力を要求するリクエスト信号を、リクエスト信号出力線114VREQを介して、垂直調停回路110に出力する。垂直調停回路110では、各々の画素の信号処理部103からのリクエストを調停し、アドレスイベントデータの出力の許可または不許可を表す応答を、応答入力線115VACTを介して、信号処理部103に返す。
The
<信号出力>
画素回路領域22の信号処理部アレイの各列には、第1の方向と交差する第2の方向(図4において縦方向)に延在して、信号線116が配されている。信号線116は、第2の方向に並ぶ信号処理部103にそれぞれ接続され、共通の信号線を成している。信号線116の延在する第2の方向は、列方向或いは垂直方向と表記することがある。なお、図4には、信号線116を、列番号を示す符号とともに表している。例えば、第4列の信号線116には、「POUT4」の符号を付している。
<Signal output>
A
各々の信号処理部103は、垂直調停回路110からの出力の許可応答を受けて、信号処理部103からのアドレスイベントデータを、信号線116を介して、列回路112に出力する。列回路112は、画素回路部領域22の信号処理部アレイの各列に対応してそれぞれ設けられており、対応する列の信号線116に接続されている。列回路112は、対応する列の信号線116を介して信号処理部103から読み出された信号を保持するラッチ機能を備える。
Each
<水平読み出し>
水平読み出し回路111は、列回路112から信号を読み出すための制御信号を列回路112に供給し、各列の列回路112から、アドレスイベントデータを受け取る。信号出力回路117は、各々の画素で計測したアドレスイベントデータを出力信号SOUTとして出力する。アドレスイベントデータとは、イベントとしての単位時間当たりの光子の入射数の変化が発生した単位画素の座標情報、および単位時間当たりの光子の入射数の変化が発生した時間情報が含まれる。その他、単位時間当たりの光子の入射数の変化の極性(正負)を含ませることができる。アドレスイベントデータの計数方法については後述する。アドレスイベントデータを用いることで、ロボットや車の制御などの高速な処理が要求されるユースケースにおいて、従来の同期型の光電変換素子では対応できなかった、高速な処理への対応が可能となる。(SPADの微小な輝度変化のメリットは後述)
<画素部>
図5は、図3の画素101及び図4の信号処理部103の等価回路及びブロック図の一例である。
<Horizontal reading>
The
<Pixel part>
FIG. 5 is an example of an equivalent circuit and a block diagram of the
センサチップ11における画素101は、光電変換部であるAPD201を含む。APD201に光が入射されると、光電変換により入射光に応じた電荷対が生成される。APD201のアノードには、電圧VL(第1電圧)が供給される。また、APD201のカソードには、アノードに供給される電圧VLよりも高い電圧VH(第2電圧)が供給される。アノードとカソードには、APD201がアバランシェ増倍動作をするような逆バイアス電圧が供給される。このような電圧を供給した状態とすることで、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こし、アバランシェ電流が発生する。
The
センサチップ21における信号処理部103は、クエンチ素子202、波形整形部210、第1のカウンタ回路211、第2のカウンタ回路212、第1の判定回路213、メモリ214、比較器215、第2の判定回路216、応答回路217、選択回路218を含む。
The
クエンチ素子202は、電圧VHを供給する電源とAPD201に接続される。クエンチ素子202は、APD201で生じたアバランシェ電流の変化を電圧信号に置き換える機能を有する。クエンチ素子202は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路(クエンチ回路)として機能し、APD201に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増倍を抑制する働きを持つ(クエンチ動作)。
The quench
波形整形部210は、光子検出時に得られるAPD201のカソードの電位変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部210は、例えば、インバータ回路やバッファ回路が用いられる。
The
<画素カウンタ部>
第1のカウンタ回路211は、波形整形部210から出力されたパルス信号(画素からの出力信号)をカウントする。即ち、第1のカウンタ回路211は、各々のAPDに入射した光子の数を計数するカウンタ回路である。また、第1のカウンタ回路211は、第1の判定回路213からのリセット信号を受けて、カウンタ値をリセットする。
<Pixel counter unit>
The
一方、第2のカウンタ回路212は、センサ外部から供給されるクロック(あるいはそのクロックを用いてセンサ内で生成されるクロック)を用いて、第1のカウンタ回路211で光子をカウントした時間をカウントする。即ち、第2のカウンタ回路212は、時間-デジタル変換回路Time to Digital Converter:以下、TDC)である。なお、第2のカウンタ回路212の出力は、時間(秒)として出力してもよいし、クロック数を出力してもよい。
On the other hand, the
第1の判定回路213は、第1のカウンタ回路211で計数した光子の数が、第1の閾値に達した場合に、第1のカウンタ回路211のカウント値をリセットする。また、後述する比較器215での比較が終了した後、第2のカウンタ回路212でのカウンタ値(第2の時間計数値)をメモリ214に上書きし、第2のカウンタ回路212のカウント値もリセットする。即ち、第1の判定回路は、APDに入射した光子の数が第1の閾値に達するたびに、光子の数をカウントする第1のカウンタ回路と、光子が入射した時間をカウントする第2のカウンタ回路をリセットする役割を有している。
The
メモリ214には、過去の第2のカウンタ回路212のカウンタ値(第1の時間計数値)が記憶されており、第2のカウンタ回路212のカウント値のリセット毎に、メモリ214のカウンタ値が上書きされる。比較器215では、現在の第2のカウンタ回路212のカウンタ値(第2の時間計数値)と、過去の第2のカウンタ回路212のカウンタ値(第1の時間計数値)の差分のカウント値219を求める。すなわち、比較器215は、第1のカウント回路において計測された光子の数がN回目に閾値を超えるのに要した第1の時間と、同様に光子の数がN+1回目に閾値を超えるのに要した第2の時間との比較結果に応じて所定の信号(例えば差分のカウント値)を出力する。なお、比較器215は、第1のカウンタ回路のカウンタ値と第2のカウンタ回路のカウンタ値との比を用いて輝度の変化を検出してもよい。
The counter value (first time count value) of the
<周辺回路との連携>
第2の判定回路216では、差分のカウント値219が第2の閾値以上の場合に、リクエスト信号出力線118VREQを介して、垂直調停回路110にリクエスト信号を送る。そして、応答回路217は、垂直調停回路110から、応答入力線119VACTを介し、アドレスイベントデータの出力の許可または不許可を表す応答を受ける。一方、差分のカウント値219が第2の閾値未満の場合には、リクエスト信号を送付しない。
<Cooperation with peripheral circuits>
In the
応答回路217が出力の許可を表す応答を受けると、選択回路218は、制御信号VSELにより、メモリ214と信号線113との接続を切り替える。これにより、第1のメモリ314に保持されている第2のカウンタ回路212のカウンタ値(第2の時間計数値)が、列回路112に出力される。
When the
<まとめ>
比較器215によって算出された差分のカウンタ値219は、第2のカウンタ値がリセットされた時間の間隔である。前述したように、APDに入射した光子の数が第1の閾値に達した時に、第2のカウンタ値がリセットされるため、差分のカウンタ値は、入射した光子の数が第1の閾値に達した時間の間隔である。即ち、差分のカウンタ値218は、光子の入射頻度の逆数に相当する。従って、光電変換素子100は、「光子の入射頻度の変化」、すなわち輝度の変化を計測する機能を有している。
<Summary>
The difference counter value 219 calculated by the
そして、第2の判定回路216を用いて、入射した光子の数が第1の閾値に達した時間の間隔の差異が、第2の閾値以上の場合のみ、アドレスイベントデータを出力している。即ち、入射頻度の差異が大きい場合には入射頻度を出力し、差異が小さい場合には入射頻度を出力しない、光電変換素子となっている。以上のような構成とすることで、画素アドレスごとに、輝度の変化をアドレスイベントとしてリアルタイムに検出する非同期型の光電変換素子が実現できる。このように、DVSをフォトンカウント型で実現することで、光子1個レベルの変化のアドレスイベントを検出することや、アドレスイベントの検出条件をより細かく設定することが可能になる。
Then, using the
<タイミングチャート>
図6は、光電変換素子100を用いてアドレスイベントを検出するための駆動方法を説明するタイミングチャートである。図6は、第1の閾値、第2の閾値とも4カウントである場合を示した。250はクロック、251は第1のカウンタ回路によって光子が検出されたタイミング、211は第1のカウンタ回路のカウント値、214はメモリに保存されている第2のカウンタ回路のカウンタ値を示している。
<Timing chart>
FIG. 6 is a timing chart illustrating a driving method for detecting an address event using the
第1の時間T0において、第1のカウンタ回路211での光子のカウントを開始する。この際、メモリ214にはその前のタイミングで第2のカウンタ回路で計数された第1の時間カウント値が記憶されている。(図6では、初期の時間カウント値として第1の時間T0=10が記憶されているとする)
第1のカウンタ回路211で光子のカウントを開始した後、第2の時間T1で、第1のカウンタ回路211のカウント値が第1の閾値=4に達する。第2の時間T1は第2のカウンタ回路212でカウントされており、図6では、第2のカウンタ回路でカウントした時間カウント値がT1=8の場合を示している。第1の判定回路213は、第1のカウンタ回路211のカウント値が第1の閾値=4に達したことを判定し、第1のカウンタ回路211をリセットする。
At the first time T0, the photon counting in the
After starting the counting of photons in the
それと同時に、比較器215は、T1とT0の差分のカウンタ値ΔT1=2を求める。第2の判定回路216は、ΔT1=2カウントと、第2の閾値=4カウントを比較する。時刻T1においては、ΔT1は第2の閾値未満であるため、T1は出力されない。比較器215による判定が完了したら、第2のカウンタ回路212でカウントした時間カウント値T1を、メモリ214に書き込み、第2のカウンタ回路212のカウント値をリセットする。
At the same time, the
続いて、時刻T1から光子のカウントを再開する。光子のカウントを開始した後、再び時刻T2で、第1のカウンタ回路211のカウント値が第1の閾値=4に達する。図5では時間カウント値T2=16の場合を示した。時刻T1の場合と同様に、第1の判定回路213は、第1のカウンタ回路211のリセットを行い、比較器215によってT2とT1の差分のカウンタ値ΔT2=6カウントを求める。時刻T2においては、ΔT2は第2の閾値以上であるため、T2を出力するためのリクエスト信号を、垂直調停回路110に送信する。そして、垂直調停回路110からの応答信号を受けて、第2のカウンタ回路212の時間カウント値T2を、列回路112に出力する。
Then, the photon counting is restarted from the time T1. After starting the photon counting, the count value of the
<フォトンカウント型のメリット>
従来の光電変換素子では、輝度の変化をフォトダイオードに入射する光量の変化を、アナログ信号のまま検出しているため、光子1個レベルの輝度の変化を計測することは困難である。一方、本実施形態の光電変換素子は、光子の数をカウントする第1のカウント回路211と、時間をカウントする第2のカウンタ回路212を用いて、輝度の変化を計測している。そのため、光子1個レベルの輝度変化を検出することが可能になる。具体的には、第1の閾値を1に設定することで、光子1個レベルの輝度変化を検出することができる。光子1個レベルの輝度変化を検出することで、夜間などの暗視状態においても、アドレスイベント信号を取得することができる。
<Advantages of photon count type>
In the conventional photoelectric conversion element, since the change in the brightness is detected as the analog signal as the change in the amount of light incident on the photodiode, it is difficult to measure the change in the brightness at the level of one photon. On the other hand, the photoelectric conversion element of the present embodiment measures the change in luminance by using the
更に、本実施形態の光電変換素子では、比較器215と第2の判定回路216を用いて、輝度の変化の有無を判定している。アドレスイベントの検出条件は第2の閾値によって、デジタル信号で設定できるため、本実施形態の光電変換素子は、アドレスイベントの検出条件を細かく設定することが可能になる。アドレスイベントの検出条件を細かく設定することで、シーンに応じて、フォトンショットノイズによる輝度変化を除去し、必要なアドレスイベント情報のみを取得することができる。具体的には、大きい輝度変化のみをとらえたい場合には、閾値を大きく設定し、小さい輝度変化もとらえたい場合には、閾値を小さく設定すればよい。
Further, in the photoelectric conversion element of the present embodiment, the presence or absence of a change in luminance is determined by using the
<バリエーション1:フォトンカウント>
図5では、フォトンカウントを実現する光電変換部としてAPDを用いた場合を示したが、別の方式の光電変換部を用いてもよい。例えば、参考文献1に開示されている、QIS(Quanta Image Sensor)のように、読み出しノイズを0.5電子以下程度に抑えた光電変換部を用いて、フォトンカウントを実現してもよい。但し、図5のようにAPDを用いたほうが、読み出しノイズが少ない。(参考文献1:Jiaju Ma,et.al,”Photon-number-resolving megapixel image sensor at room temperature without avalanche gain”,Optica,2017)
<バリエーション2:第1の閾値>
第1の閾値は、第1のカウンタ回路の飽和ビット数に等しい値にするのが好ましい。具体的には、第1のカウンタ回路の最上位ビットが1になったときに、第1のカウント値と第2のカウント値をリセットするように構成すればよい。
<Variation 1: Photon count>
Although FIG. 5 shows a case where the APD is used as the photoelectric conversion unit that realizes the photon count, another photoelectric conversion unit may be used. For example, a photoelectric conversion unit that suppresses read noise to about 0.5 electron or less, such as QIS (Quanta Image Sensor) disclosed in Reference 1, may be used to realize photon counting. However, reading noise is less when APD is used as shown in FIG. (Reference 1: Jiaju Ma, et. Al, "Photon-number-resolving megapixel image sensor at room temperature temperature without avalanche gain", Optica, 2017)
<Variation 2: First threshold>
The first threshold value is preferably set to a value equal to the number of saturated bits of the first counter circuit. Specifically, it may be configured to reset the first count value and the second count value when the most significant bit of the first counter circuit becomes 1.
第1の閾値が小さいほど、差分のカウンタ値219の変化の有無を判定する頻度が高くなり、輝度の変化を瞬間的にとらえられるため、好ましい。一方、第1の閾値が大きいほど、多くの光子数で光子の入射頻度を推定することになるため、推定精度が上がり、輝度の変化を正確に計測できるため、好ましい。従って、第1の閾値を、ユースケースや被写体等によって適切に変更可能なように構成していると、更に好ましい。 The smaller the first threshold value, the higher the frequency of determining whether or not there is a change in the difference counter value 219, and the change in luminance can be captured instantaneously, which is preferable. On the other hand, the larger the first threshold value, the more the incident frequency of photons is estimated with a large number of photons, so that the estimation accuracy is improved and the change in luminance can be accurately measured, which is preferable. Therefore, it is more preferable that the first threshold value is configured so that it can be appropriately changed depending on the use case, the subject, and the like.
DVSは大きく分けて二つのメリットがある。一つは、車載などの高速な現象をとらえられることであり、もう一つは、駐車場などの定点監視のように、輝度の変化がない場合の出力を出さないことでデータ量を削減できることである。前者のように、高速な現象をとらえたい場合には、第1の閾値を小さく設定し、輝度の変化を瞬間的にとらえられるようにしたほうが好ましい。一方、後者のように、輝度の変化がない場合の出力を抑えたい場合には、第1の閾値を大きく設定し、輝度の変化を正確に計測することで、輝度変化がないときの出力を確実に抑えるほうが好ましい。 DVS has two main merits. One is to capture high-speed phenomena such as in-vehicle, and the other is to reduce the amount of data by not outputting output when there is no change in brightness, such as fixed-point monitoring in parking lots. Is. When it is desired to capture a high-speed phenomenon as in the former case, it is preferable to set the first threshold value small so that the change in brightness can be captured instantaneously. On the other hand, as in the latter case, when it is desired to suppress the output when there is no change in brightness, the first threshold value is set large and the change in brightness is accurately measured to obtain the output when there is no change in brightness. It is preferable to suppress it surely.
<バリエーション:第2の閾値>
差分のカウンタ値219を出力するかどうかを判定する第2の閾値は、固定の値であってもよいし、時間的に変更可能であってもよい。差分のカウンタ値218は、光子の入射頻度の逆数に相当するため、差分のカウンタ値219によって、第2の閾値を変更したほうが好ましい。具体的には、第1のカウント値及び第2のカウント値がリセットされるたびに、第2の閾値が差分のカウンタ値219に反比例するように、変更するほうが好ましい。このような構成とするとこで、輝度の変化ΔLの、元々の輝度Lに対する割合(ΔL/L)が一定となるように、第2の閾値を決定することができる。また、第2の閾値を、画素毎に変更可能なように構成しておくと、更に好ましい。画素によって光子の入射頻度は異なるため、ΔL/Lを一定にするためには、第2の閾値を、画素毎に変更できるようにしておく必要がある。
<Variation: Second threshold>
The second threshold value for determining whether to output the difference counter value 219 may be a fixed value or may be temporally changeable. Since the
第2の閾値は、差分のカウンタ値が増加した場合と、差分のカウンタ値が減少した場合で、別々の閾値を持つように構成されていてもよい。別々の閾値を持つことで、輝度の増加のみを選択的に検出したり、輝度の減少のみ選択的に検出したりすることができる。 The second threshold value may be configured to have different threshold values when the difference counter value increases and when the difference counter value decreases. By having different threshold values, it is possible to selectively detect only the increase in luminance or selectively detect only the decrease in luminance.
<バリエーション:フォトンカウントがない場合は画素値を出力>
光子の入射頻度が極端に小さい場合には、第1のカウンタ回路のカウント値が第1の閾値に達するまでの時間が長くなってしまい、アドレスイベントの検出頻度が下がってしまう恐れがある。そこで、第2のカウンタ回路のカウント値が第3の閾値に経過しても、第1のカウンタ回路のカウント値が第1の閾値に達しない場合、その時点での第1のカウンタ回路のカウント値を出力する構成とする方が好ましい。具体的には、第2のカウンタ回路のカウント値が第3の閾値に達した時に、第1のカウンタ回路のカウント値が第1の閾値以上であるか第1の閾値未満であるかを判定する、第3の判定回路を設ける。更に、第3の判定回路をリクエスト信号線、応答入力線、選択回路、列回路に接続する。このような構成とすることで、光子の入射頻度が小さい場合にも、アドレスイベントの有無を検出することができる。
<Variation: Pixel value is output when there is no photon count>
When the incident frequency of photons is extremely low, the time until the count value of the first counter circuit reaches the first threshold value becomes long, and the detection frequency of address events may decrease. Therefore, if the count value of the first counter circuit does not reach the first threshold value even if the count value of the second counter circuit reaches the third threshold value, the count of the first counter circuit at that time is counted. It is preferable to have a configuration that outputs a value. Specifically, when the count value of the second counter circuit reaches the third threshold value, it is determined whether the count value of the first counter circuit is equal to or more than the first threshold value or less than the first threshold value. A third determination circuit is provided. Further, the third determination circuit is connected to the request signal line, the response input line, the selection circuit, and the column circuit. With such a configuration, it is possible to detect the presence or absence of an address event even when the incident frequency of photons is low.
<バリエーション:周辺回路>
図4では、各々の画素のアドレスイベントを、垂直調停回路と水平読み出し回路を用いて読み出す場合を示したが、それ以外の構成としてもよい。具体的には、センサチップ11、回路チップ21に、更にメモリチップ31を追加した3層構成とし、各々の画素で計測した時間カウント値を画素毎にメモリチップに転送し、メモリチップ内のメモリにいったん保持した後、メモリチップから順次出力してもよい。
<Variation: Peripheral circuit>
FIG. 4 shows a case where the address event of each pixel is read by using the vertical arbiter circuit and the horizontal read circuit, but other configurations may be used. Specifically, it has a three-layer configuration in which a memory chip 31 is further added to the
<バリエーション:アドレスイベント信号を用いた解析処理>
上記に説明した光電変換素子によって出力されたアドレスイベント信号に基づいて各種解析処理を実行する情報処理装置について説明する。図9は、情報処理装置のハードウェア構成例を示したブロック図である。CPU1100は、メモリ1200に格納されたOSやその他プログラムを読みだして実行し、接続された各構成を制御して、各種処理の演算や論理判断などを行う。CPU1100が実行する処理には、実施形態の情報処理が含まれる。メモリ1200は、ハードディスクドライブや外部記憶装置などであり、実施形態の情報処理にかかるプログラムや各種データを記憶する。図8は、本実施形態で説明した光電変換素子によって出力されたアドレスイベント信号を取得して、各種解析処理を実行する情報処理装置によって実行される処理を説明したフローチャートである。図8のフローチャートに示した処理は、コンピュータである図9のCPU1100によりメモリ1200に格納されているコンピュータプログラムに従って実行される。以下の説明では、各工程(ステップ)について先頭にSを付けて表記することで、工程(ステップ)の表記を省略する。S801では、取得部1007が、光電変換素子100によって検出されたアドレスイベント信号を取得する。S802では、解析処理部1006が、取得されたアドレスイベント信号に基づいて所定の解析処理を実行する。解析処理は、例えば、動体検知や振動検出等の各種解析処理である。S830では、解析処理部1006が、アドレスイベント信号の解析結果を出力する。例えば、動体検知であれば、動体が検出された時間や場所を表示できるような画像データを生成して、表示部に出力する。
<Variation: Analysis processing using address event signal>
An information processing apparatus that executes various analysis processes based on the address event signal output by the photoelectric conversion element described above will be described. FIG. 9 is a block diagram showing a hardware configuration example of the information processing device. The
また、アドレスイベント信号を入力として、制御信号を出力するような学習済みニューラルネットワークを備え、アドレスイベント信号から後処理に利用するデータを学習するような構成にしてもよい。例えば、アドレスイベント信号を、そのまま機械学習用の認識信号として使用し、被写体検出や被写体の分類等の解析処理を行ってもよい。また、アドレスイベント信号から被写体の動きベクトルを算出した結果を制御部1002に出力し、被写体の防振、追尾、動きの予測、動きの解析などに使用してもよい。更に、アドレスイベントの時間的な変化から、点滅する光源の周波数を解析することで、位置推定に使用してもよいし、振動物体の故障解析に用いてもよい。
Further, a trained neural network that takes an address event signal as an input and outputs a control signal may be provided, and data to be used for post-processing may be learned from the address event signal. For example, the address event signal may be used as it is as a recognition signal for machine learning, and analysis processing such as subject detection and subject classification may be performed. Further, the result of calculating the motion vector of the subject from the address event signal may be output to the
<バリエーション:輝度出力>
以上では、第2の判定回路216を用いて、入射した光子の数が第1の閾値に達した時間の間隔の差異が、第2の閾値以上の場合に、第2のカウンタ値を出力していた。但し、第2のカウント値のほかに、被写体の明るさ情報も出力したほうが更に好ましい。
<Variation: Luminance output>
In the above, the
具体的には、入射した光子の数が第1の閾値に達した時間の間隔の差異が、第2の閾値以上であった場合に、一度第2のカウンタをリセットする。その後、再度、入射した光子の数が第1の閾値に達した時間の間隔の差異が、第2の閾値以上になるまでの第2のカウント値を記憶する第1のメモリ部220および、第1のカウンタをリセットした回数を記憶する第2のメモリ部221を有していればよい。
Specifically, when the difference in the time interval at which the number of incident photons reaches the first threshold value is equal to or greater than the second threshold value, the second counter is reset once. After that, once again, the
例えば、第1のカウンタをリセットした回数がC、第2のカウント値がT、第1の閾値がNの場合、被写体の輝度Lは以下のように表現できる。
L=K(C×N/T)
但し、Kは任意の係数である。
For example, when the number of times the first counter is reset is C, the second count value is T, and the first threshold value is N, the luminance L of the subject can be expressed as follows.
L = K (C × N / T)
However, K is an arbitrary coefficient.
このようにすることで、光強度の変化をトリガとして画素値を取得することができる。その結果、例えば手振れの影響を低減した画像や、被写体が動き出した瞬間の画像を取得することが可能となる。 By doing so, the pixel value can be acquired by using the change in light intensity as a trigger. As a result, for example, it is possible to acquire an image in which the influence of camera shake is reduced or an image at the moment when the subject starts to move.
<実施形態2>
実施形態2の光電変換素子300は、実施形態1に示す光電変換素子100に対し、信号処理部の構成のみが異なる。図7は、光電変換素子300の画素及び信号処理部301の等価回路及びブロック図の一例である。画素部の構成は、図5に示す光電変換素子100と同じであるため、説明を省略する。
<
The
信号処理部301は、図5に示す信号処理部103と同様に、クエンチ素子302、波形整形部310、第1のカウンタ回路311、第2のカウンタ回路312、第1の判定回路313、第2の判定回路316、応答回路317、選択回路318を含む。また、第1のメモリ314、第1の比較器315に加えて、第2のメモリ324、第2の比較器325を有している。このような構成とすることで、明るさの「変化の度合い」をアドレスイベントとして検出することができる。「明るさの変化」は輝度の1次微分であるため、「明るさの変化の度合い」は輝度の2次微分に相当する。輝度の2次微分をアドレスイベントとすることで、例えば一様に明るさが変化する物体の異常を検知するなど、異常現象のみを検出することができる。
Similar to the
クエンチ素子302、波形整形部310、第1のカウンタ回路311、第2のカウンタ回路312の役割と構成は図5と同様であるため省略する。
Since the roles and configurations of the quench
第1の判定回路313は、第1のカウンタ回路311で計数した光子の数が、第1の閾値に達した場合に、第1のカウンタ回路311のカウント値をリセットする。また、後述する第1の比較器315での比較が終了した後、第2のカウンタ回路312でのカウンタ値(第2の時間計数値)を第1のメモリ314に上書きし、第2のカウンタ回路312のカウント値もリセットする。
The
第1のメモリ314には、過去の第2のカウンタ回路312のカウンタ値(第1の時間計数値)が保存されており、第2のカウンタ回路312のカウント値のリセット毎に、第1のメモリ314のカウンタ値が上書きされる。第1の比較器315では、現在の第2のカウンタ回路312のカウンタ値(第2の時間計数値)と、過去の第2のカウンタ回路312のカウンタ値(第1の時間計数値)の差分のカウント値319を求める。
The counter value (first time count value) of the
第2のメモリには、過去の差分のカウント値329(第1の差分計数値)が保存されており、第2のカウンタ回路312のカウント値のリセット毎に、第2のメモリ324のカウンタ値が上書きされる。第2の比較器325では、現在の差分のカウンタ値(第2の差分計数値)と、過去の差分のカウンタ値(第1の差分計数値)の差分のカウント値339を求める。
The past difference count value 329 (first difference count value) is stored in the second memory, and each time the count value of the
第2の判定回路316では、差分のカウント値339が第4の閾値以上の場合に、リクエスト信号出力線を介して、垂直調停回路にリクエスト信号を送る。そして、応答回路317は、垂直調停回路から、応答入力線を介し、アドレスイベントデータの出力の許可または不許可を表す応答を受ける。
In the
応答回路317が出力の許可を表す応答を受けると、選択回路318は、第2のメモリ324と信号線との接続を切り替える。これにより、第2のメモリ324に保持されている差分のカウント値339が、列回路に出力される。
When the
<まとめ>
差分のカウンタ値339は、第2のカウンタ値がリセットされた時間の間隔の差分である。従って、差分のカウンタ値339は、光子の入射頻度の変化の度合いに相当する。従って、本発明の光電変換素子100は、輝度の2次微分を計測している。以上のような構成とすることで、画素アドレスごとに、輝度の2次微分をアドレスイベントとしてリアルタイムに検出する非同期型の光電変換素子が実現できる。
<Summary>
The difference counter value 339 is the difference between the time intervals at which the second counter value is reset. Therefore, the difference counter value 339 corresponds to the degree of change in the incident frequency of photons. Therefore, the
(その他の実施形態)
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
(Other embodiments)
The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiment to a system or device via a network or storage medium, and one or more processors in the computer of the system or device reads and executes the program. It can also be realized by the processing to be performed. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
11 センサチップ
21 回路チップ
101 画素
103 信号処理部
201 アバランシェフォトダイオード
202 クエンチ素子
210 波形整形部
211 第1のカウンタ回路
212 第2のカウンタ回路
213 第1の判定回路
214 メモリ
215 比較器
216 第2の判定回路
217 応答回路
218 選択回路
11
Claims (22)
前記画素から出力された前記信号を計測する第1の計測手段と、
前記第1の計測手段によって計測された前記信号が第1の閾値に至るまでに要した時間を計測する第2の計測手段と、
第1の時点における前記第2の計測手段の計測結果を第1の時間として記憶する第1の記憶手段と、
前記第1の記憶手段によって記憶された前記第1の時間と、前記第1の時点よりも後の第2の時点において前記第2の計測手段によって計測された第2の時間と、を比較する比較手段と、
前記比較手段による比較結果に応じた信号を出力する出力手段と、を有することを特徴とする光電変換素子。 It is a photoelectric conversion element equipped with a pixel that outputs a signal according to the incident of a photon.
A first measuring means for measuring the signal output from the pixel, and
A second measuring means for measuring the time required for the signal measured by the first measuring means to reach the first threshold value, and a second measuring means.
A first storage means for storing the measurement result of the second measurement means at the first time point as a first time, and a first storage means.
The first time stored by the first storage means is compared with the second time measured by the second measuring means at a second time point after the first time point. As a means of comparison,
A photoelectric conversion element comprising: an output means for outputting a signal corresponding to a comparison result by the comparison means.
前記光電変換素子によって出力された前記信号を取得する取得手段と、
前記取得された信号に基づいて所定の解析処理を行う解析手段と、を有することを特徴とする情報処理装置。 An information processing apparatus including the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 17.
An acquisition means for acquiring the signal output by the photoelectric conversion element, and
An information processing apparatus comprising: an analysis means for performing a predetermined analysis process based on the acquired signal.
前記画素から出力された前記信号を計測する第1の計測工程と、
前記第1の計測工程によって計測された前記信号が第1の閾値に至るまでに要した時間を計測する第2の計測工程と、
第1の時点における前記第2の計測工程の計測結果を第1の時間として記憶する第1の記憶工程と、
前記第1の記憶工程によって記憶された前記第1の時間と、前記第1の時点よりも後の第2の時点において前記第2の計測工程によって計測された第2の時間と、を比較する比較工程と、
前記比較工程における比較結果に応じた信号を出力する出力工程と、を有することを特徴とする制御方法。 It is a control method of a photoelectric conversion element having a pixel that outputs a signal according to the incident of a photon.
The first measurement step of measuring the signal output from the pixel, and
A second measurement step of measuring the time required for the signal measured by the first measurement step to reach the first threshold value, and a second measurement step.
A first storage step of storing the measurement result of the second measurement step at the first time point as a first time, and a first storage step.
The first time stored by the first storage step is compared with the second time measured by the second measurement step at a second time point after the first time point. Comparison process and
A control method comprising: an output step of outputting a signal corresponding to a comparison result in the comparison step.
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